一种高效节能精馏过程的高纯控制系统及方法技术方案

一种高效节能精馏过程的高纯控制系统，包括与高效节能精馏塔直接连接的现场智能仪表和ＤＣＳ系统，ＤＣＳ系统包括存储装置、控制站和上位机，上位机包括用以计算输出高效节能精馏塔控制变量值的高纯控制器，高纯控制器包括：组分推断模块，用以从智能仪表获取温度，压强数据，计算高效节能精馏塔各块塔板的组分浓度；模型参数自适应校正拟合模块，用以采用历史数据库中组分推断模块计算出的组分浓度数据，在线拟合模型函数；高效节能精馏过程的高纯控制律求解模块，用以根据当前组分浓度数据，模型函数和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值。以及提供了一种高纯控制方法。本发明专利技术控制效果良好、控制品质理想。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精馏控制领域，尤其提出了。
技术介绍
精馏过程是化工过程中的一种核心过程，精馏塔是其中的一个关键单元。长久以 来，精馏塔因为高耗能，低能效的问题成为国际精馏领域研究的焦点。目前针对精馏过程的 能耗问题主要有两方面的解决方案一种设计新型结构，利用热量耦合实现能量重复利用 达到节能目的， 一种设计高效精馏过程控制策略，提高产品生产质量减少废料从而达到节 能目的。尽管有较多实验研究证明高效节能精馏塔能够显著提高能源利用率，但是由于高 效节能精馏塔的精馏段与提馏段之间存在极强的耦合性且该塔具有十分复杂的强非线性， 该塔的控制策略设计显得尤为困难。 传统的PID、内模控制方案等已经不能满足高效节能精馏过程的控制品质要求，尤 其在高纯精馏过程控制当中，这些方案已经很难使精馏过程稳定。而基于线性辨识模型的 预测控制方案只能工作在稳态工作点附近，稍微增大干扰幅度，或者设定值阶跃变化系统 控制质量则出现明显下降。事实表明设计有效的高效精馏过程的有效高纯控制方案是高 效精馏过程平稳操作的关键环节。
技术实现思路
为了克服目前高效精馏过程的控制效果不好、控制品质不理想的不足，本专利技术提 供一种控制效果良好、控制品质理想的高效节能精馏过程的高纯控制系统及方法。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 —种高效节能精馏过程的高纯控制系统，包括与高效节能精馏塔直接连接的现场 智能仪表和DCS系统，所述DCS系统包括存储装置、控制站和上位机，现场智能仪表与存储 装置、控制站和上位机连接，所述的上位机包括用以计算输出高效节能精馏塔控制变量值 的高纯控制器，所述高纯控制器包括 组分推断模块，用以从智能仪表获取温度，压强数据，计算高效节能精馏塔各块塔板的组分浓度，并将组分浓度计算结果存储在历史数据库当中，计算式为(1) (2):<formula>formula see original document page 5</formula> <formula>formula see original document page 5</formula> 其中k为当前采样时刻，下脚标i为塔板编号，l为塔顶编号，f为进料板编号，n为 塔底编号，Xi(k)为k采样时刻液相轻组分浓度，Pr(k)为k采样时刻精馏段压强、Ps提馏段 压强，Ti(k)为k采样时刻塔内各块塔板的温度，a为相对挥发度，a、b、c为安东尼常数。 模型参数自适应校正拟合模块，用以采用历史数据库中组分推断模块计算出的组 分浓度数据，在线拟合模型函数，并将拟合参数存储到历史数据库当中，拟合函数如式(3)(4) :<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula> 其中义,为第i块塔板处液相组分浓度预估浓度，Xmin,r， XMX,r， kr， Xmin,s， Xmax,s， ks为 拟合参数，Sr， Ss分别为高效节能精馏塔精馏段、提馏段液相组分浓度分布的位置； 高效节能精馏过程的高纯控制律求解模块，用以根据当前组分浓度数据，模型函数和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，求解控制律代数方程组如式(5) 至式(12)柳=,=、， f=,……,(5) <formula>formula see original document page 6</formula> 其中k为当前采样时刻，T为采样周期，& (k) 、 1 (k)分别为k采样时刻第i块塔 板轻组分液相轻组分浓度和汽相轻组分浓度，Qi(k)为第i块塔板之间的热耦合量，UA为传 热速率，Xi+f—Jk)为k采样时刻第i+f-1块塔板液相轻组分浓度，q(k)为k采样时刻进料 热状况，Pr (k)为当k采样时刻精馏段压强，F为进料流率，Zf为进料组分浓度，K (k) ， Vf (k) 分别为k采样时刻塔顶和进料板处的汽相流率，Lf—工(k) ， Ln(k)分别为k采样时刻第f-1块 塔板和塔底的液相流率，H为持液量，Xf—工(k) ， Xn(k)分别为k采样时刻第f-1块塔板和塔底 的液相轻组分浓度，l(k) ，Yf (k)分别为k采样时刻塔顶和进料板处的汽相轻组分浓度，Kl， K2， K3， K4为控制律参数，X二 Xn*分别为塔顶塔底液相轻组分浓度设定值，& (k) ， Xn(k)为k 时刻塔顶塔底的液相轻组分浓度值Aq(k)， APjk)，分别为当前时刻高效节能精馏塔控制 变量即进料热状况和精馏段压强的当前理想改变值。 所述的上位机还包括人机界面模块，用以设定采样周期T，控制律参数K2， K3， K4 和塔顶塔底液相轻组分浓度设定值&*， Xn*，并显示控制器的输出曲线和被控变量即塔顶塔 底液相轻组分浓度的记录曲线。 —种高效节能精馏过程的高纯控制方法，所述的控制方法包括以下步骤 1)确定采样周期T，并将T值，相对挥发度a ，提馏段压强Ps，安东尼常数a、 b、 c、保存在历史数据库当中； 2)设定控制律参数&， K2， K3， K4和塔顶塔底液相轻组分浓度设定值X,， Xn* 3)从智能仪表获取k采样时刻精馏段压强&提馏段压强Ps，以及各塔板温度I, 计算液相轻组分浓度值，计算式为(1) (2):，+糊=，)=—1a-1-1a-1(1)(2) 其中k为当前采样时刻，下脚标i为塔板编号，1为塔顶编号，f为进料板编号，n为 塔底编号，Xi(k)为k采样时刻液相轻组分浓度，Pr(k)为k采样时刻精馏段压强、Ps提馏段 压强，1\ (k)为k采样时刻塔内各块塔板的温度，a为相对挥发度，a、 b、 c为安东尼常数； 4)用历史数据库中组分推断模块计算出的组分浓度数据，在线拟合模型函数，并 将拟合参数存储到历史数据库当中，拟合函数如式(3) (4): +<formula>formula see original document page 7</formula> 其中l,为第i块塔板处液相组分浓度预估浓度， Ss为拟合参数； 5)根据当前组分浓度数据，模型函数和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量 的理想改变值，求解控制律代数方程组如式(5)至式(12)<formula>formula see original document page 7</formula> <formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 8</formula> 其中k为当前采样时刻，T为采样周期，& (k) 、 1 (k)分别为k采样时刻第i块塔 板轻组分液相轻组分浓度和汽相轻组分浓度，Qi(k)为第i块塔板之间的热耦合量，UA为传 热速率，Xi+f—本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效节能精馏过程的高纯控制系统，包括与高效节能精馏塔直接连接的现场智能仪表和ＤＣＳ系统，所述ＤＣＳ系统包括存储装置、控制站和上位机，现场智能仪表与存储装置、控制站和上位机连接，所述的上位机包括用以计算输出高效节能精馏塔控制变量值的高纯控制器，所述高纯控制器包括：组分推断模块，用以从智能仪表获取温度，压强数据，计算高效节能精馏塔各块塔板的组分浓度，并将组分浓度计算结果存储在历史数据库当中，计算式为（１）（２）：Ｘ↓［ｉ］（ｋ）＝（Ｐ↓［ｒ］（ｋ）×α×１０↑［（Ｔ↓［ｉ］（）（１０）（Ｖ↓［ｆ］（ｋ）Ｙ↓［ｆ］（ｋ）－Ｌ↓［ｆ－１］（ｋ）Ｘ↓［ｆ－１］（ｋ）－Ｖ↓［１］（ｋ）Ｙ↓［１］（ｋ））／ＨＸ↓［ｆ－１］（ｋ）＝Ｋ↓［１］（Ｘ↓［１］↑［＊］－Ｘ↓［１］（ｋ））＋Ｋ↓［２］＊（Ｘ↓［１］↑［＊］－Ｘ↓［１］（ｉ））Ｔ（１１）（－Ｖ↓［ｆ］（ｋ）Ｙ↓［ｆ］（ｋ）－Ｌ↓［ｎ］（ｋ）Ｘ↓［ｎ］（ｋ）＋Ｌ↓［ｆ－１］（ｋ）Ｘ↓［ｆ－１］（ｋ）＋ＦＺ↓［ｆ］）／（Ｈ（Ｘ↓［ｆ－１］（ｋ）－Ｘ↓［ｎ］（ｋ）））＝Ｋ↓［３］（Ｘ↓［ｎ］↑［＊］－Ｘ↓［ｎ］（ｋ））＋Ｋ↓［４］＊（Ｘ↓［ｎ］↑［＊］－Ｘ↓［ｎ］（ｉ））Ｔ（１２）其中ｋ为当前采样时刻，Ｔ为采样周期，Ｘ↓［ｉ］（ｋ）、Ｙ↓［ｉ］（ｋ）分别为ｋ采样时刻第ｉ块塔板轻组分液相轻组分浓度和汽相轻组分浓度，Ｑ↓［ｉ］（ｋ）为第ｉ块塔板之间的热耦合量，ＵＡ为传热速率，Ｘ↓［ｉ＋ｆ－１］（ｋ）为ｋ采样时刻第ｉ＋ｆ－１块塔板液相轻组分浓度，ｑ（ｋ）为ｋ采样时刻进料热状况，Ｐ↓［ｒ］（ｋ）为当ｋ采样时刻精馏段压强，Ｆ为进料流率，Ｚ↓［ｆ］为进料组分浓度，Ｖ↓［ｌ］（ｋ），Ｖ↓［ｆ］（ｋ）分别为ｋ采样时刻塔顶和进料板处的汽相流率，Ｌ↓［ｆ－１］（ｋ），Ｌ↓［ｎ］（ｋ）分别为ｋ采样时刻第ｆ－１块塔板和塔底的液相流率，Ｈ为持液量，Ｘ↓［ｆ－１］（ｋ），Ｘ↓［ｎ］（ｋ）分别为ｋ采样时刻第ｆ－１块塔板和塔底的液相轻组分浓度，Ｙ↓［ｌ］（ｋ），Ｙ↓［ｆ］（ｋ）分别为ｋ采样时刻塔顶和进料板处的汽相轻组分浓度，Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４为控制律参数，Ｘ↓［ｌ］↑［＊］，Ｘ↓［ｎ］↑［＊］分别为塔顶塔底液相轻组分浓度设定值，Ｘ↓［ｌ］（ｋ），Ｘ↓［ｎ］（ｋ）ｋ时刻塔顶塔底的液相轻组分浓度值Δｑ（ｋ），ΔＰ↓［ｒ］（ｋ），分别为当前时刻高效节能精馏塔控制变量即进料热状况和精馏段压强的当前理想改变值...

【技术特征摘要】
一种高效节能精馏过程的高纯控制系统，包括与高效节能精馏塔直接连接的现场智能仪表和DCS系统，所述DCS系统包括存储装置、控制站和上位机，现场智能仪表与存储装置、控制站和上位机连接，所述的上位机包括用以计算输出高效节能精馏塔控制变量值的高纯控制器，所述高纯控制器包括组分推断模块，用以从智能仪表获取温度，压强数据，计算高效节能精馏塔各块塔板的组分浓度，并将组分浓度计算结果存储在历史数据库当中，计算式为(1)(2) <mrow><msub> <mi>X</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>r</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&times;</mo><mi>&alpha;</mi><mo>&times;</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>c</mi> </mrow> <mi>b</mi></mfrac><mo>-</mo><mi>a</mi> </mrow></msup><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>&alpha;</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> 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【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴高，周叶翔，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]